RU2817953C1 - Способ переработки метаносодержащего газа в синтезгаз в химическом реакторе адиабатического сжатия - Google Patents

Способ переработки метаносодержащего газа в синтезгаз в химическом реакторе адиабатического сжатия Download PDF

Info

Publication number
RU2817953C1
RU2817953C1 RU2023119077A RU2023119077A RU2817953C1 RU 2817953 C1 RU2817953 C1 RU 2817953C1 RU 2023119077 A RU2023119077 A RU 2023119077A RU 2023119077 A RU2023119077 A RU 2023119077A RU 2817953 C1 RU2817953 C1 RU 2817953C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
piston
methane
cylinder
gas
pair
Prior art date
Application number
RU2023119077A
Other languages
English (en)
Inventor
Сергей Александрович Васильев
Борис Семенович Ездин
Валерий Владимирович Каляда
Original Assignee
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Новосибирский национальный исследовательский государственный университет" (Новосибирский государственный университет, НГУ)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Новосибирский национальный исследовательский государственный университет" (Новосибирский государственный университет, НГУ) filed Critical Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Новосибирский национальный исследовательский государственный университет" (Новосибирский государственный университет, НГУ)
Application granted granted Critical
Publication of RU2817953C1 publication Critical patent/RU2817953C1/ru

Links

Abstract

Изобретение относится к технологии переработки углеводородного сырья, в частности к получению синтезгаза из газообразного углеводородного сырья. Для осуществления способа используют химический реактор адиабатического сжатия типа поршень-цилиндр, содержащий как минимум две пары поршень–цилиндр. В одну пару в нижней мертвой точке положения поршня подают окислитель, в другую пару в нижней мертвой точке положения поршня подают метаносодержащий газ. В паре поршень–цилиндр, содержащей окислитель, создают большее давление, чем в паре, содержащей метаносодержащий газ. Вблизи верхней мёртвой точки положения поршня в паре поршень–цилиндр, содержащей окислитель, через регулируемый клапан обеспечивают перетекание окислителя в пару поршень–цилиндр, содержащую метаносодержащий газ, до пропорции атомарный кислород окислителя/углерод метаносодержащего газа 1:1 - 1:1,6. В паре поршень–цилиндр, содержащей метаносодержащий газ, получают реакцию окисления с образованием синтезгаза. Выпуск продуктов реакции осуществляется из пары поршень–цилиндр, в которой сжимался метаносодержащий газ, после прохождения верхней мертвой точки. Циклы сжатия и разряжения во всех парах поршень–цилиндр синхронизированы. Для получения необходимой пропорции в смеси газов, в пары поршень–цилиндр в нижней мертвой точке закачивается окислитель и метаносодержащий газ в таких пропорциях, чтобы после перетекания окислителя вблизи верхней мертвой точки в камере с метаносодержащим газом устанавливалось требуемое соотношение кислорода и углерода (1:1 - 1:1,6). Технический результат изобретения заключается в создании технологических операций, обеспечивающих получение синтезгаза в химическом реакторе адиабатического сжатия с приготовлением смеси, не достигающей взрывоопасного соотношения. 3 з.п. ф-лы, 4 пр.

Description

Область техники
Изобретение относится к технологии переработки углеводородного сырья, в частности, к получению синтезгаза из газообразного углеводородного сырья.
Уровень техники
Из уровня техники известен способ получения синтезгаза (патент RU2096313C1), включающий сжигание смеси углеводородного сырья с воздухом при α = 0,5 - 0,8 и окисление углеводородов при сжатии смеси поршнем в объеме цилиндров двигателя внутреннего сгорания компрессионного типа, расширение и охлаждение продуктов процесса при движении поршня двигателя к нижней мертвой точке, вывод продуктов процесса, содержащих синтез-газ, из реакционного объема при движении поршня к верхней мертвой точке, введение новой порции рабочей смеси при движении поршня к нижней мертвой точке. В цилиндры двигателя внутреннего сгорания компрессионного типа подают предварительно подогретую до 200 – 450 °C смесь углеводородного сырья с воздухом, а сжатие смеси осуществляют до возникновения самовоспламенения и получения температуры 1300 – 2300 °C на период 10-2- 10-3с, цикл повторяют с частотой, превышающей 350 мин-1.
Недостатком данного способа является то, что отсутствует технологический процесс приготовления смеси окислитель / углеводородное сырье. Как результат, в процессе приготовления смеси может возникать их взрывоопасное соотношение.
Задача изобретения заключается в создании способа, предотвращающего взрывоопасную реакцию при переработке метаносодержащего газа в синтезгаз в химическом реакторе сжатия.
Раскрытие сущности изобретения
Технический результат изобретения заключается в создании технологических операций, обеспечивающих получение синтез - газа в химическом реакторе адиабатического сжатия с приготовлением смеси, не достигающей взрывоопасного соотношения. Дополнительные технические результаты заключаются в исключении детонационных нагрузок на пару поршень-цилиндр, в увеличении эксплуатационных характеристик пары поршень – цилиндр, а также в улучшении качественного состава получаемого продукта.
Для достижения технических результатов используют химический реактор адиабатического сжатия типа поршень-цилиндр, содержащий как минимум две пары поршень–цилиндр. В одну пару в нижней мертвой точке положения поршня подают окислитель, в другую пару в нижней мертвой точке положения поршня подают метаносодержащий газ. В паре поршень–цилиндр, содержащей окислитель, создают большее давление, чем в паре, содержащей метаносодержащий газ. Вблизи верхней мёртвой точки положения поршня в паре поршень–цилиндр, содержащей окислитель, через регулируемый клапан обеспечивают перетекание окислителя в пару поршень–цилиндр, содержащую метаносодержащий газ, до пропорции атомарный кислород окислителя/углерод метаносодержащего газа 1:1 - 1:1,6. В паре поршень–цилиндр, содержащей метаносодержащий газ, получают реакцию окисления с образованием синтезгаза. Выпуск продуктов реакции осуществляется из пары поршень–цилиндр, в которой сжимался метаносодержащий газ, после прохождения верхней мертвой точки. Циклы сжатия и разряжения во всех парах поршень–цилиндр синхронизированы. Для получения необходимой пропорции в смеси газов, в пары поршень–цилиндр в нижней мертвой точке закачивается окислитель и метаносодержащий газ в таких пропорциях, чтобы после перетекания окислителя вблизи верхней мертвой точки в камере с метаносодержащим газом устанавливалось требуемое соотношение кислорода и углерода (1:1 - 1:1,6).
В связи с тем, что давление в парах поршень – цилиндр, содержащих окислитель и метан существенно отличаются, использование пар с разными газами приведет к существенному дисбалансу конструкции. Поэтому для компенсации механических нагрузок при циклах сжатия - разрежения целесообразно использование минимум двух пар поршень-цилиндр. При этом пары с окислителем располагаются соосно, со встречным синхронным движением поршней при сжатии, и противоположным синхронным движением при расширении. Также пары с метаносодержащим газом располагаются соосно, со встречным синхронным движением поршней при сжатии, и противоположным синхронным движением при расширении. При этом механические нагрузки на все пары поршень-цилиндр компенсируются.
В качестве окислителя используют воздух или кислород. Реакцию окисления газа проводят при температуре от 1200 °C, выше которой реакция преимущественно протекает по формуле:
(1)
Согласно формуле (1) оптимальное соотношение атомарный кислород/углерод равно единице, т.е. на один атом кислорода приходится один атом углерода. Более высокое значение этого соотношения вплоть до 1,6 закладывается для того, чтобы обеспечить полноту протекания реакции (1) и чтобы в продуктах реакции не содержались углеводороды.
При реализации изобретения, в паре поршень–цилиндр, содержащей окислитель, получают бóльшее давление, чем в паре с метаносодержащим газом. Вблизи верхней мертвой точки положения поршень–цилиндр, когда газы нагреваются за счет сжатия до высоких температур, с помощью регулируемого открываемого клапана под действием избытка давления организуется контролируемое перетекание окислителя в пару с метаносодержащим газом. При этом концентрация кислорода в смеси всегда ниже взрывоопасного соотношения.
Поскольку смешивание газов происходит вблизи верхней мертвой точки, когда газы по отдельности разогреты выше 1200 °C, реакция протекает по формуле (1). Тогда как при совместном нагреве смеси газов при температурах ниже этого порога протекают реакции с образование сажи, углекислого газа и различных углеводородов, часть из которых может не прореагировать за время цикла сжатия-разряжения и присутствовать в продуктах реакции, препятствуя эффективной переработке синтезгаза в другие полезные продукты.
Примеры осуществления изобретения
Пример № 1
Химический реактор содержит две пары поршень-цилиндр, имеющие рабочие объемы полости поршень-цилиндр, отличающиеся друг от друга в 2 раза. В одну из пар реактора, имеющую больший объем, через штуцер в нижнюю мертвую точку положения поршень–цилиндр, подают воздух, в другую пару, имеющую меньший объем, через штуцер, в нижнюю мертвую точку положения поршень–цилиндр, подают метан в объемном количестве в 3-4 раза меньшем, чем объем воздуха в другой паре, так чтобы атомарное соотношение кислорода воздуха и углерода метана составляло 1,2:2. Циклы сжатия и разряжения в парах поршень–цилиндр синхронизируют. В результате сжатия в паре поршень–цилиндр, содержащей воздух, получают в 1,5-2 раза большее давление в верхней мертвой точке, чем в паре поршень–цилиндр, содержащей метан. Вблизи верхней мёртвой точки положения поршень–цилиндр газы нагревается за счет сжатия до температур выше 1200 °C. Дополнительный нагрев газов может осуществляться теплообменом с продуктами реакции перед подачей газов в пары поршень-цилиндр в нижней мертвой точке. Таким образом можно снизить давления, до которых сжимаются газы в парах поршень-цилиндр, и упростить конструкцию. С помощью клапана, установленного в реакторе, регулируют перетекание воздуха по патрубкам в пару поршень–цилиндр, содержащей метан, до пропорции воздух/метан 2,3:3,6. Это соотношение меньше соотношения, с которым газы закачиваются в пары поршень-цилиндр, поскольку часть воздуха остается в своей паре, т.к. в мертвой точке положения поршня между поршнем и цилиндром остается конечный объем. В паре поршень–цилиндр, содержащей метан, при перетекании в нее воздуха под действием более высокого давления, при температурах выше 1200 °C происходит химическая реакция окисления, с образованием синтезгаза по формуле (1). Образующийся в реакции синтезгаз и не прореагировавшие компоненты (азот, кислород) удаляются из реактора с помощью регулируемого открываемого клапана после прохождения верхней мертвой точки пары поршень-цилиндр. Циклы сжатия-разряжения повторяются с частотой 8-15 Гц.
Пример № 2
Химический реактор содержит две пары поршень-цилиндр, имеющие одинаковые рабочие объемы полости поршень-цилиндр, отличающиеся друг от друга в 2 раза. В одну из пар химического реактора сжатия, имеющую меньший объем, через штуцер в нижнюю мертвую точку положения поршень–цилиндр, подают кислород, в другую пару через штуцер, в нижнюю мертвую точку положения поршень–цилиндр, подают метан в объемном количестве в 1-1,5 раза большем, чем объем кислорода в другой паре. Циклы сжатия и разряжения в парах поршень–цилиндр синхронизируют. В результате сжатия в паре поршень–цилиндр, содержащей кислород, получают в 1,5-2 раза большее давление в верхней мертвой точке, чем в паре поршень–цилиндр, содержащей метан. Вблизи верхней мёртвой точки положения поршень–цилиндр газы нагревается за счет сжатия до температур выше 1200 °C. Дополнительный нагрев газов может осуществляться теплообменом с продуктами реакции перед подачей газов в пары поршень-цилиндр в нижней мертвой точке. Таким образом можно снизить давления, до которых сжимаются газы в парах поршень-цилиндр, и упростить конструкцию. С помощью клапана, установленного в реакторе, регулируют перетекание кислорода по патрубкам в пару поршень–цилиндр, содержащую метан, до пропорции метан/кислород 1,3:2. Это соотношение больше соотношения, с которым газы закачиваются в пары поршень-цилиндр, поскольку часть кислорода остается в своей паре, т.к. в мертвой точке положения поршня между поршнем и цилиндром остается конечный объем. В паре поршень–цилиндр, содержащей метан, при перетекании в нее кислорода под действием более высокого давления, при температурах выше 1200 °C происходит химическая реакция окисления, с образованием синтезгаза по формуле (1). Образующийся в реакции синтезгаз и не прореагировавшие компоненты (кислород) удаляются из реактора с помощью регулируемого открываемого клапана после прохождения верхней мертвой точки пары поршень-цилиндр. Циклы сжатия-разряжения повторяются с частотой 8-15 Гц.
Пример № 3
Химический реактор содержит две пары поршень-цилиндр, имеющие рабочие объемы полости поршень-цилиндр, отличающиеся друг от друга в 2 раза. В одну из пар реактора, имеющую больший объем, через штуцер в нижнюю мертвую точку положения поршень–цилиндр, подают воздух, в другую пару, имеющую меньший объем, через штуцер, в нижнюю мертвую точку положения поршень–цилиндр, подают метан в объемном количестве в 3-4 раза меньшем, чем объем воздуха в другой паре, так чтобы атомарное соотношение кислорода воздуха и углерода метана составляло 1,2:2. Циклы сжатия и разряжения в парах поршень–цилиндр синхронизируют. В результате сжатия в паре поршень–цилиндр, содержащей воздух, получают в 1,5-2 раза большее давление в верхней мертвой точке, чем в паре поршень–цилиндр, содержащей метан. Вблизи верхней мёртвой точки положения поршень–цилиндр газы нагревается за счет сжатия до температур выше 1600 °C. Дополнительный нагрев газов может осуществляться теплообменом с продуктами реакции перед подачей газов в пары поршень-цилиндр в нижней мертвой точке. Таким образом можно снизить давления, до которых сжимаются газы в парах поршень-цилиндр, и упростить конструкцию. С помощью клапана, установленного в реакторе, регулируют перетекание воздуха по патрубкам в пару поршень–цилиндр, содержащей метан, до пропорции воздух/метан 2,3:3,6. Это соотношение меньше соотношения, с которым газы закачиваются в пары поршень-цилиндр, поскольку часть воздуха остается в своей паре, т.к. в мертвой точке положения поршня между поршнем и цилиндром остается конечный объем. В паре поршень–цилиндр, содержащей метан, при перетекании в нее воздуха под действием более высокого давления, при температурах выше 1600 °C происходит химическая реакция окисления, с образованием синтезгаза по формуле (1). Более высокая температура реакции обеспечивает более высокую степень полноты реакции и присутствие нежелательных соединений (углекислый газ, сажа, сложные углеводороды) в следовых количествах, не отражающихся на качестве синтезгаза, как сырья для производства целевых углеводородов. Образующийся в реакции синтезгаз и не прореагировавшие компоненты (азот, кислород) удаляются из реактора с помощью регулируемого открываемого клапана после прохождения верхней мертвой точки пары поршень-цилиндр. Циклы сжатия-разряжения повторяются с частотой 8-15 Гц.
Пример № 4
Химический реактор содержит четыре пары поршень-цилиндр. Две пары имеют одинаковые рабочие объемы полости поршень-цилиндр. Две другие пары также имеют одинаковые рабочие объемы полости поршень-цилиндр, но отличающиеся в 2 раза от объемов первых двух пар. Пары поршень-цилиндр, имеющие одинаковые объемы, расположены соосно друг с другом. Циклы сжатия и разряжения в этих парах синхронизируют. В пары с одинаковым объемом в нижней мертвой точке положения поршня подают одинаковый газ с одинаковым количеством. В пары, имеющие больший объем, подают воздух, а в пары, имеющие меньший объем, подают метан в объемном количестве в 3-4 раза меньшем, чем объем воздуха в других парах, так чтобы атомарное соотношение кислорода воздуха и углерода метана составляло 1,2:2. В результате сжатия в парах поршень–цилиндр, содержащих воздух, получают в 1,5-2 раза большее давление в верхней мертвой точке, чем в парах поршень–цилиндр, содержащих метан. Вблизи верхней мёртвой точки положения поршень–цилиндр газы нагревается за счет сжатия до температур выше 1200 °C. Дополнительный нагрев газов может осуществляться теплообменом с продуктами реакции перед подачей газов в пары поршень-цилиндр в нижней мертвой точке. Таким образом, можно снизить давления, до которых сжимаются газы в парах поршень-цилиндр, и упростить конструкцию. С помощью клапанов, установленного в реакторе, регулируют перетекание воздуха по патрубкам между парами, содержащими воздух и парами, содержащим метан, до пропорции воздух/метан 2,3:3,6. Это соотношение меньше соотношения, с которым газы закачиваются в пары поршень-цилиндр, поскольку часть воздуха остается в своей паре, т.к. в мертвой точке положения поршня между поршнем и цилиндром остается конечный объем. В парах поршень–цилиндр, содержащих метан, при перетекании в них воздуха под действием более высокого давления, при температурах выше 1200 °C происходит химическая реакция окисления, с образованием синтезгаза по формуле (1). Образующийся в реакции синтезгаз и не прореагировавшие компоненты (азот, кислород) удаляются из реактора с помощью регулируемого открываемых клапанов после прохождения верхних мертвых точек пар поршень-цилиндр, в которых протекала реакция окисления. Циклы сжатия-разряжения повторяются с частотой 8-15 Гц. Благодаря соосному расположению пар поршень-цилиндр с одинаковыми газами и синхронизации их возвратно поступательного движения в этих парах реализуется одинаковое давление, что компенсирует действующие на конструкцию реактора силовые нагрузки. Это снижает нежелательные вибрации и ранний износ элементов реакции, подверженных силовым нагрузкам.

Claims (4)

1. Способ переработки метаносодержащего газа в синтезгаз в химическом реакторе адиабатического сжатия типа поршень-цилиндр, содержащий как минимум две пары поршень–цилиндр, характеризующийся тем, что в одну пару в нижней мертвой точке положения поршня подают окислитель, в другую пару в нижней мертвой точке положения поршня подают метаносодержащий газ, в паре поршень–цилиндр, содержащей окислитель, в верхней мертвой точке создают большее давление, чем в паре, содержащей метаносодержащий газ, циклы сжатия-разряжения в обеих парах синхронизованы, вблизи верхней мёртвой точки положения поршня в паре поршень–цилиндр, содержащей окислитель, через регулируемый клапан обеспечивают перетекание окислителя в пару поршень–цилиндр, содержащую метаносодержащий газ, до пропорции атомарный кислород окислителя/углерод метаносодержащего газа 1:1 - 1:1,6.
2. Способ переработки метаносодержащего газа в синтезгаз в химическом реакторе адиабатического сжатия по п.1, отличающийся тем, что частота движения поршней относительно цилиндров одинакова во всех парах и составляет 8-15 Гц.
3. Способ переработки метаносодержащего газа в синтезгаз в химическом реакторе адиабатического сжатия по п.1, отличающийся тем, что в качестве окислителя используют воздух или кислород.
4. Способ переработки метаносодержащего газа в синтезгаз в химическом реакторе адиабатического сжатия по п.1, отличающийся тем, что реакция окисления газа происходит при температуре выше 1200 °C.
RU2023119077A 2023-07-19 Способ переработки метаносодержащего газа в синтезгаз в химическом реакторе адиабатического сжатия RU2817953C1 (ru)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2817953C1 true RU2817953C1 (ru) 2024-04-23

Family

ID=

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5388645A (en) * 1993-11-03 1995-02-14 Amoco Corporation Method for producing methane-containing gaseous mixtures
RU2096313C1 (ru) * 1996-08-13 1997-11-20 Экспериментальный комплекс "Новые энергетические технологии" Объединенного института высоких температур РАН Способ получения синтез-газа
RU2361809C2 (ru) * 2007-09-25 2009-07-20 Борис Тихонович Плаченов Способ получения синтез-газа и устройство для его осуществления
US20130032762A1 (en) * 2010-01-07 2013-02-07 Ruben Dario Rodriguez Quintero Apparatus and method for adiabatic methane conversion
RU2573877C2 (ru) * 2011-02-01 2016-01-27 КЕЛЛОГГ БРАУН ЭНД РУТ ЭлЭлСи Устройство и способ для производства сингаза и продуктов из него
US20190119109A1 (en) * 2017-10-19 2019-04-25 United States Department Of Energy Production of synthesis gas from natural gas with copper-iron -manganese oxide oxygen carriers/catalysts via partial oxidation and dry reforming processes
CN111542492A (zh) * 2017-12-07 2020-08-14 俄罗斯天然气工业公开股份公司 生产含氢气体的设备和方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5388645A (en) * 1993-11-03 1995-02-14 Amoco Corporation Method for producing methane-containing gaseous mixtures
RU2096313C1 (ru) * 1996-08-13 1997-11-20 Экспериментальный комплекс "Новые энергетические технологии" Объединенного института высоких температур РАН Способ получения синтез-газа
RU2361809C2 (ru) * 2007-09-25 2009-07-20 Борис Тихонович Плаченов Способ получения синтез-газа и устройство для его осуществления
US20130032762A1 (en) * 2010-01-07 2013-02-07 Ruben Dario Rodriguez Quintero Apparatus and method for adiabatic methane conversion
RU2573877C2 (ru) * 2011-02-01 2016-01-27 КЕЛЛОГГ БРАУН ЭНД РУТ ЭлЭлСи Устройство и способ для производства сингаза и продуктов из него
US20190119109A1 (en) * 2017-10-19 2019-04-25 United States Department Of Energy Production of synthesis gas from natural gas with copper-iron -manganese oxide oxygen carriers/catalysts via partial oxidation and dry reforming processes
CN111542492A (zh) * 2017-12-07 2020-08-14 俄罗斯天然气工业公开股份公司 生产含氢气体的设备和方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2817953C1 (ru) Способ переработки метаносодержащего газа в синтезгаз в химическом реакторе адиабатического сжатия
Sha et al. Effects of operating pressure on coal gasification
RU2120913C1 (ru) Способ получения синтез-газа
RU2299175C1 (ru) Способ получения синтез-газа и установка для его реализации
US4575383A (en) Process for producing acetylene using a heterogeneous mixture
Al-Alami et al. Shock-tube study of propane pyrolysis. Rate of initial dissociation from 1400 to 2300 K
Huang et al. Comparison study of carbon clusters formation during thermal decomposition of 1, 3, 5-triamino-2, 4, 6-trinitrobenzene and benzotrifuroxan: a ReaxFF based sequential molecular dynamics simulation
RU2096313C1 (ru) Способ получения синтез-газа
RU98102713A (ru) Способ получения синтез-газа
US2727933A (en) Partial oxidation and pyrolysis of saturated hydrocarbons
EP3663381A1 (en) Method for cooling pyrolysis product
GB2148385A (en) Production of synthesis gas using an I.C. engine
US2176962A (en) Process for producing ethylene from oil
US2727932A (en) Method for controlling reactions in hot gaseous reaction mixtures
RU96116520A (ru) Способ получения синтез-газа
RU2119888C1 (ru) Способ получения синтез-газа
US5162599A (en) Rapid thermal pyrolysis of gaseous feeds containing hydrocarbon molecules mixed with an inert working gas
RU2136580C1 (ru) Способ получения синтез-газа
RU2096433C1 (ru) Способ получения технического углерода (его варианты)
RU2221835C2 (ru) Способ конвертирования углеводородов каскадным окислительным крекингом
RU2824548C1 (ru) Химический динамический реактор сжатия
US2578475A (en) Production of gas comprising hydrogen and carbon monoxide
US1794231A (en) Production of mixtures of nitrogen and hydrogen for ammonia synthesis
RU2781096C1 (ru) Способ переработки пиперилена
RU2325426C2 (ru) Способ переработки углеводородного сырья